Expérimentations sur l'orniérage des chaussées à faible trafic

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières http://35ans-manege.ifsttar.fr EXPERIMENTATIONS SUR L’ORNIERAGE DES CHAUSSEES A FAIBLE TRAFIC Absamad El Abd, Pierre Hornych 1978-2013 Un parcours d’expériences inédites

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

http://35ans-manege.ifsttar.fr

EXPERIMENTATIONS SUR L’ORNIERAGE DES

CHAUSSEES A FAIBLE TRAFIC

Absamad El Abd, Pierre Hornych

1978-2013

Un parcours d’expériences inédites

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

Thèse de Doctorat effectuée de 2002 à 2005 au LCPC à Nantes

Ecole Doctorale Sciences Physiques et de l’Ingénieur (Univ. Bordeaux 1)

Sujet :

« Développement d’une méthode de prédiction des

déformations de surface des chaussées à assises non

traitées »

Directeurs de thèse : Denys Breysse, Alain Denis - Université Bordeaux 1

Conseiller d’études : Pierre Hornych - LCPC (Division MSC à Nantes).

CONTEXTE

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

1. Introduction

Problématique – Objectif

Expérience menée sur le manège de fatigue

2. Stratégie adoptée

3. Etude en laboratoire

4. Modélisations des déformations permanentes

5. Méthode de calcul de l’orniérage

6. Application

7. Conclusions / perspectives

SOMMAIRE

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Problématique : L’orniérage, dû

aux déformations permanentes des

matériaux non traités, est l’un des

principaux modes de dégradation des

chaussées souples à faible trafic.

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

Méthode de dim. des structures de chaussées inappropriée!

o pas d’essai pour déterminer la résistance à l’orniérage des GNT

o calcul en élasticité linéaire

o critère d’orniérage indépendant du matériau, basé sur le niveau de

déformation verticale élastique.

Objectif : Développer une méthode de calcul de l’orniérage

des assises de chaussées en GNT, avec la prise en compte :

du comportement non linéaire des matériaux non liés;

de l’état du matériau (conditions hydriques).

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Expérimentation sur le « Manège de fatigue »

Structure 1

L: 22,5m

Structure 2

L: 22,5 m

Structure 3

L: 22,5 m

Structure 4

L: 22,5 m

Structure 5

L: 30 m

BBS2 50mm BBS2 50 mm BBS3 80 mm BBS3 80 mm BBSG 60 mm

GRH 200mm GRH 200 mm GB3 80 mm GRH 200 mm GRH 200 mm GRH 200 mm

GRH 150 mm GRH 200 mm GRH 300 mm

Sol support : sable argileux,

épaisseur 2,4 m

NE1 durée de vie en millions d’essieux standards de 130 kN

(module du sol : 100 MPa)

Structure 1 Structure 2 Structure 3 Structure 4

NE1 = 0,14 NE1 = 0,38 NE1 = 1,50 NE1 = 5,00

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

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Matériaux testés sur les structures du manège

8 cm

50 cm

240 cm

GNT

SOL

- Couche de roulement : béton bitumineux souple - GNT : carrière des Maraîchères (w = 4 à 5 %)

- Sol : sable de Missillac

Instrumentation des planches

- Capteurs de mesure des déformations longitudinales et transversales dans les enrobés;

- Capteurs de déformations verticales dans les matériaux non liés (barreaux à jauges);

- Sondes de température, placées à 3 profondeurs différentes;

- Sondes de teneur en eau dans la GNT et le sol;

- Capteurs de déplacement ancrés, permettant de suivre le déplacement vertical total (déflexion)

au passage des charges.

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

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Mesure de l’orniérage sur les différentes structures

0

5

10

15

20

25

30

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Nombre de passages

Orn

ière

(m

m)

Structure I

Structure II

Structure III

Structure IV

Structure V

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

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Étude en laboratoire des graves non traitées

Calcul de l’orniérage par éléments finis (module ORNI)

Modélisation des déformations permanentes

Validation sur le manège de fatigue

2

4

3

1

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

déformations

cycle n

cycle 1 cycle 2 cycle 3 Temps

0 3

3

3 contraintes q q

déf. perm.

déf. rév.

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

CELLULE TRIAXIALE ET INSTRUMENTATION

SOLLICITATIONS ET

DÉFORMATIONS

Capteur de

force

Embase

supérieure

Capteur de déformations

radiales

Capteur de déformations

axiales

Membrane

d’étanchéité

Principe de l’essai triaxial à chargements répétés

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

Détermination de la droite de rupture du matériau:

- dans le plan (p, q), q = m.p + s

- cohésion c et angle de frottement φ dans le plan de Mohr

a/ Étude du comportement réversible

- phase de conditionnement de l’éprouvette durant 20000 cycles

- chargements réversibles suivant différents chemins de contraintes q/p

calage avec un modèle élastique non linéaire (modèle de Boyce)

b/ Étude des déformations permanentes

Procédure d’essais par paliers [Gidel, 2002]: chaque éprouvette est

soumise à différents niveaux de contraintes croissants suivant le même

chemin de chargement (Dq/Dp constant).

Procédures d’essai

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

1/ Essais triaxiaux statiques

2/ Essais triaxiaux cycliques : simulation des chargements routiers

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Essais à w = 4 %

Essais à w = 5 %

0

50

100

150

200

250

0 50000 100000 150000 200000

Nombre de cycles

1

p (

10

- 4)

q/p=1

q/p=2

q/p=2,5

0

50

100

150

200

250

0 50000 100000 150000 200000

Nombre de cycles

1

p (

10

- 4)

q/p=1

q/p=2

q/p=2,5

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

Essais de déf. permanentes : GNT des Maraîchères

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives

Modèles de prédiction des déf. permanentes

Modèle empirique Modèle élastoplastique

)q,p(g).N(f)N(maxmax

1

p

max

max

max

n

a

p

1maxmax

p

q

p

sm

1

p

l)q,p(g

B

0N

N1ANf

Variation en fonction des contraintes [Gidel, 2001] :

Variation en fonction du nombre de cycles [Hornych, 1998] :

Développé par Chazallon [2000];

Modèle non associé, avec écrouissage cinématique et isotrope;

Basé sur la fonction de charge et le potentiel plastique du modèle de Hujeux [1985];

Mise au point d’un programme de calcul permettant de simuler la réponse du modèle à un chargement en contraintes [Piganeau, 2003];

Comportement élastique non linéaire décrit par le modèle de Boyce.

5- Méthode de calcul de l’orniérage

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0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50000 100000 150000 200000

Nombre de cycles

1p (

10

-4)

Δq/Δp=1

Δq/Δp=2

Δq/Δp=2,5

modèleempirique

0

50

100

150

200

250

300

0 50000 100000 150000 200000

Nombre de cycles

1p (

10

-4)

Δq/Δp = 1

Δq/Δp = 2

Δq/Δp = 2,5

modèleempirique

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives

Essais à w = 4 %

Essais à w = 5 %

5- Méthode de calcul de l’orniérage

Ajustement du modèle empirique

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

(1) Calculs 3D des champs de contraintes dans la structure,

en ne considérant que le comportement réversible

(élasticité ou visco-élasticité):

- méthode EF: différents cas de chargement (module

CVCR) ;

(2) Cumul des déformations permanentes en différents points,

dans le plan (0, Y, Z), en réponse aux différents champs de

contraintes calculés dans (1);

(3) Calcul du champ de déplacements (orniérage) résultant en

3D:

- méthode EF: calcul structurel (module ORNI).

Calcul de l’orniérage

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

Calcul CVCR (3D) Chargement 1

Calcul CVCR (3D) Chargement n

Calcul des historiques de

contraintes

Calcul des historiques de

contraintes

Module ORNI (2D)

Calcul itératif des déformations

permanentes suivant l’ordre

d’apparition des chargements

Calcul des déplacements

ETAPE 1

ETAPE 3

ETAPE 2

Estimation de l’orniérage

Calculs 3D sous la charge roulante

- Module CVCR (Chaussée Visco-élastique sous Charge Roulante);

Lois de comportement - Enrobé : élasticité linéaire ou visco-élasticité (modèle de HS);

- GNT : élasticité non linéaire (modèle de Boyce);

Calcul des historiques de contraintes pour les conditions de chargements de la

structure étudiée (différentes températures, charges, vitesses, positions).

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

Application de la méthode au « Manège de fatigue »

0

2

4

6

8

10

12

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Nombre de passages

Pro

fon

deu

r d

'orn

ière

(m

m)

ORNI - w = 5 %

ORNI - w = 4 %

min manège

moy manège

max manège

0

2

4

6

8

10

12

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Nombre de passages

Pro

fon

deu

r d

'orn

ière

(m

m)

max manège

moy manège

min manège

Méthode 1D - GNT 4% + sol

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières

Implantation du modèle élastoplastique dans le module de calcul ORNI

Développement d’une méthode d’orniérage des enrobés bitumineux basée

sur des essais triaxiaux.

Prédictions satisfaisantes des déformations permanentes axiales dans les

essais triaxiaux cycliques (modèles empirique et élastoplastique);

Proposition d’une méthode de calcul de l’orniérage basée sur le module

ORNI;

Prédiction de l’orniérage obtenu sur le « manège de fatigue » Nécessité de prendre en compte l’orniérage du sol support

Description non satisfaisante de la cinétique d’évolution de l’orniérage (différence

entre les charges roulantes appliquées sur le manège et les chargements simulés en

laboratoire)

… CONCLUSIONS

Suite de la thèse…

1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation

6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage

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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières 18/18

Merci de votre attention…

CCGR 2005

Doctorants MSC 2004